電火花加工用工具電極材料的研究進展

　　1、引言

　　在電火花加工中，工具電極是一項非常重要的因素，電極材料的性能將影響電極的電火花加工性能（材料去除率、工具損耗率、工件表面質(zhì)量等），因此，正確選擇電極材料對于電火花加工至關(guān)重要。

　　電火花加工用工具電極材料應滿足高熔點、低熱脹系數(shù)、良好的導電導熱性能和力學性能等基本要求，從而在使用過程中具有較低的損耗率和抵抗變形的能力。電極具有微細結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)對于降低電極損耗也比較有利，一般認為減小晶粒尺寸可降低電極損耗率。此外，工具電極材料應使電火花加工過程穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、工件表面質(zhì)量好，且電極材料本身應易于加工、來源豐富及價格低廉。

　　由于電火花加工的應用范圍不斷擴展，對與之相適應的電極材料（包括相應的電極制備方法）也不斷提出新的要求。隨著材料科學的發(fā)展，人們對電火花加工工具電極材料不斷進行著探索和創(chuàng)新，目前在研究和生產(chǎn)中已經(jīng)使用的工具電極材料有石墨、Cu或W等單金屬、Cu或W基合金、鋼、鑄鐵、Cu基復合材料、聚合物復合材料和金剛石等幾大類。

　　2、普通電火花加工用工具電極材料

　�。�1）石墨

　　石墨具有良好的導電導熱性和可加工性，是電火花加工中廣泛使用的工具電極材料。

　　石墨有不同的種類，可按石墨粒子的大小、材料的密度和機械與電性能進行分級。其中，細級石墨的粒子和孔隙率較小，機械強度較高，價格也較貴，用于電火花加工時通常電極損耗率較低，但材料去除率相應也要低一些。市場上供應的石墨等級平均粒子大小在20μm以下，選用時主要取決于電極的工作條件（粗加工、半精加工或精加工）以及電極的幾何形狀。工件加工表面粗糙度與石墨粒子的大小有直接關(guān)系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等級專門用于精加工。K.L.Aas用兩種不同等級的石墨電極加工難加工材料上的深窄槽，比較了它們的材料去除率和電極損耗率。研究結(jié)果表明，石墨種類的選擇主要取決于具體的電火花加工對材料去除率和電極損耗率哪方面的要求更高。

　　與其它電極材料相比，石墨電極可采用大的放電電流進行電火花加工，因而生產(chǎn)率較高；粗加工時電極的損耗率較小，但精加工時電極損耗率增大，加工表面粗糙度較差。石墨電極重量輕，價格低。由于石墨具有高脆性，通常難以用機械加工方法做成薄而細的形狀，因此在精細復雜形狀電火花加工中的應用受到限制，而采用高速銑削可以較好解決這一問題。

　　為了改善石墨電極的電火花加工性能，O.Akira等將石墨粉燒結(jié)電極浸入熔化的金屬（Cu或Al）中，并對液態(tài)金屬施加高壓，使金屬Cu或Al填充到石墨電極的孔隙中，以改善其強度和導熱性。注入金屬后，石墨電極的密度、熱導率和彎曲強度增大，電阻率大幅度降低，電極表面粗糙度得到改善。實驗研究結(jié)果表明，這種新材料電極與常規(guī)石墨電極相比，電極損耗率和材料去除率無明顯差別，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨電極可獲得小得多的加工表面粗糙度。

　�。�2）Cu、Cu基合金及Cu基復合材料

　　純Cu（電解銅，俗稱紫銅）也是一種常用的電極材料，尤其是加工有色金屬材料時，常用電解銅作為工具電極材料。

　　Cu的熔點較低，電極損耗率較大，因此需要引入另一種高熔點材料來降低電極損耗率。Cu－W合金兼有Cu的高導熱性和W的高熔點、低熱脹系數(shù)和耐電火花侵蝕能力強的特點，使其成為一種高性能的工具電極材料。Cu－W電極主要用于加工模具鋼和WC工件，其中的Cu、W含量比一般為25:75。但由于Cu－W電極的價格比普通的Cu或石墨電極高，因此目前在生產(chǎn)中應用并不多。

　　S.Singh等采用Cu、Cu－W合金、黃銅和Al電極加工一種淬硬工具鋼，結(jié)果表明，Cu和Al電極的加工速度和加工精度較高，Cu和Cu－W電極的損耗率最小，黃銅的電極損耗率最大。相比而言，Cu是一種較好的電極材料，它能獲得較高的加工精度和較好的加工表面粗糙度，且有高的材料去除率和低的電極損耗率。Al的性能僅次于Cu，在加工表面粗糙度要求不高時可以選用。雍耀維等[7]以Cu、W和Cu－W合金作為電極材料加工硬質(zhì)合金，結(jié)果表明，Cu－W合金電極可明顯提高加工速度，且在較低的加工電壓下電極損耗并不大，因此Cu－W合金是加工硬質(zhì)合金的理想電極材料。

　　TiC是一種高硬度耐火材料，熔點高，耐熱沖擊和磨損性能好。L.Li等研究了燒結(jié)Cu/TiC、Cu－W/TiC電極中TiC對工具電極電火花加工性能的影響，結(jié)果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC電極損耗率均低于常規(guī)的Cu電極。綜合考慮加工性能，25％的TiC是較理想的成分比例。Cu－W/TiC電極材料也顯示出良好的性能，其大多數(shù)電火花加工表面的粗糙度優(yōu)于Cu－W電極加工表面，因而可用于精加工。對于Cu－W/TiC電極材料，添加15％的TiC可獲得最佳效果。

　　ZrB2和TiSi具有良好的導電導熱性和高熔點，H.M.Zaw等研究了用不同含量的Cu與ZrB2或TiSi采用粉末冶金法制作電火花加工工具電極，并與石墨、Cu和Cu－W等電極材料的電火花加工性能進行了比較。結(jié)果表明，TiSi/Cu電極損耗嚴重、加工速度低、加工表面粗糙，因而該材料不適合用作電火花加工電極。ZrB2/Cu可用作電極材料，但Cu基體與ZrB2之間的結(jié)合力較差，ZrB2的含量和電極制作工藝參數(shù)會影響這種電極的電火花加工性能。

　　TiB2顆粒具有熔點高、導電導熱性良好、熱脹系數(shù)低等特性，TiB2/Cu復合材料具有良好的導電性、耐高溫性和力學性能，符合電火花加工工具電極材料的基本要求。邱彥等采用粉末冶金TiB2/Cu復合材料電極進行了電火花加工試驗，分析了復合材料的電火花加工損耗機理，結(jié)果表明，TiB2/Cu電極的電火花加工特性與其它Cu基復合材料電極類似，TiB2體積分數(shù)為5％時電極材料的電火花加工效果較好。